如何使用 Nginx 三方扩展 ngx_waf 快速实现一个高性能的 Web 应用防火墙

技术教程

ngx_waf：方便且高性能的 Nginx 防火墙模块

缓存策略为 LRU，IP 检查和 CC 防御花费常数时间，其它的检查花费 O(nm) 的时间，其中 n 是相关规则的条数，m 为执行正则匹配的时间复杂度，但是每次检查过后会自动缓存本次检查的结果，下次检查相同的目标时就可以使用缓存而不是检查全部的规则。不会缓存 POST 请求体的检查结果。

Nginx第三方防火墙扩展

1. 工具特点

介绍了该工具的主要特点以及核心功能！

该 Nginx 的第三方扩展工具，可以防御 CC 攻击(超出限制后自动拉黑对应 IP 一段时间或者使用验证码做人机识别)，可以支持多种黑白名单(IP/POST/URL/UA等等)，还可以提供防护 SQL 注入和 XSS 工具。

使用简单
- 配置文件和规则文件书写简单，可读性强
基础防护
- 如 IP 或 IP 网段的黑白名单、URI 黑白名单和请求体黑名单等
高性能
- 使用高效的 IP 检查算法和缓存机制，支持 IPV4 和 IPV6
高级防护
- 兼容 ModSecurity 的规则，你可以使用 OWASP 的核心规则库
友好爬虫验证
- 支持验证 Google、Bing、Baidu 和 Yandex 的爬虫并自动放行，避免错误拦截，主要是基于 User-Agent 和 IP 的识别规则
验证码
- 支持三种验证码：hCaptcha、reCAPTCHAv2 和 reCAPTCHAv3

2. 模块安装

第三方模块我们应该怎么安装呢？

Nginx 提供两种安装模块的方式，即「静态链接」和「动态加载」，通过两种方式安装的模块也分别称为「静态模块」和「动态模块」，可以通过运行脚本 assets/guide.sh 来选择使用静态模块还是动态模块。

bash

# 执行如下命令
$ sh assets/guide.sh

# 如果输出下面这行，则建议使用动态模块
# It is recommended that you use dynamic modules.

# 如果输出下面这行，则建议使用静态模块
# It is recommended that you use static modules.

[1] 静态模块

编译安装一个新的模块需要知道当前的 Nginx 的 configure 脚本的参数，您可以通过运行 nginx -V 来获取，务必记住 configure arguments: 后面的内容。安装静态模块需要重新编译整个 Nginx，花费的时间相对于安装动态模块比较长。如果不想在替换二进制文件时，关闭 Nginx 服务的话，可以参考官方文档的热部署方案。

bash

# 下载对应的Nginx版本
# http://nginx.org/en/download.html
$ cd /usr/local/src
$ wget https://nginx.org/download/nginx-1.20.1.tar.gz
$ tar -zxf nginx-1.20.1.tar.gz

# 使用稳定版的源码
$ cd /usr/local/src
$ git clone -b lts https://github.com/ADD-SP/ngx_waf.git

# 运行配置脚本
$ cd /usr/local/src/nginx-1.20.1
$ ./configure ARG --add-module=/usr/local/src/ngx_waf
$ sed -i 's/^\(CFLAGS.*\)/\1 \
    -fstack-protector-strong -Wno-sign-compare/' \
    objs/Makefile

# 编译(非并行/并行)
$ make
$ make -j$(nproc)

# 替换Nginx二进制文件(假设已经安装过)
$ cp objs/nginx /usr/local/nginx/sbin/nginx

[2] 动态模块 - 下载预构建的模块

通过执行脚本 assets/download.sh 来下载动态模块。

bash

# 用于nginx-1.20.1的LTS版的模块
$ sh assets/download.sh 1.20.1 lts

# 用于nginx-1.20.1的最新版的模块
$ sh assets/download.sh 1.20.1 current

# 执行成功后会有如下输出
checking for command ... yes
checking for libc implementation ... yes
 + GNU C libary
Pulling remote image addsp/ngx_waf-prebuild:ngx-1.20.1-module-beta-glibc
......
Download complete!

如果看到 Download complete! 的话，则说明下载成功，模块会被保存在当前目录下。你可以将其拷贝到一个目录下，然后在 nginx.conf 的顶部添加一行。然后关闭 Nginx 服务并运行 nginx -t。如果没有出错则说明模块被正常加载，反之则说明您的 Nginx 不支持预构建的模块，请编译安装模块。

nginx

load_module "/path/to/ngx_http_waf_module.so";

[3] 动态模块 - 编译动态模块

编译安装动态模块并不需要重新编译整个 Nginx，只需要重新编译所有的模块，所以速度相对静态模块快一些，这也是本文档推荐的方式。

bash

# 下载对应的Nginx版本
# http://nginx.org/en/download.html
$ cd /usr/local/src
$ wget https://nginx.org/download/nginx-1.20.1.tar.gz
$ tar -zxf nginx-1.20.1.tar.gz

# 使用稳定版的源码
$ cd /usr/local/src
$ git clone -b lts https://github.com/ADD-SP/ngx_waf.git

# 运行配置脚本
$ cd /usr/local/src/nginx-1.20.1
$ ./configure --add-dynamic-module=/usr/local/src/ngx_waf --with-compat
$ sed -i 's/^\(CFLAGS.*\)/\1 \
    -fstack-protector-strong -Wno-sign-compare/' \
    objs/Makefile

# 开始编译动态模块
$ make modules

# 将动态模块拷贝到模块目录(关闭服务)
$ cp objs/*.so /usr/local/nginx/modules

最后，在 Nginx 的配置文件顶部添加一行，表示加载这个编译好的模块。

nginx

load_module "/usr/local/nginx/modules/ngx_http_waf_module.so";

3. 模块使用

第三方模块我们应该怎么使用呢？更多参数参考配置语法

现在就可以在 nginx.conf 内的一个 server 块中添加配置来开启 ngx_waf 模块来配置服务的防火墙了，下面是一个例子。

[1] LTS 版本

nginx

http {
    ...
    server {
        ...
        # on/off 表示启用和关闭
        waf on;

        # 规则文件所在目录的绝对路径，必须以/结尾
        waf_rule_path /usr/local/src/ngx_waf/assets/rules/;

        # 防火墙工作模式，STD表示标准模式
        waf_mode STD;

        # CC防御参数
        # 1000表示每分钟请求次数上限，超出上限后封禁对应ip地址60分钟
        waf_cc_deny rate=1000r/m duration=60m;

        # 最多缓存50个检测目标的检测结果
        # 对除了IP黑白名单检测、CC防护和POST检测以外的所有检测生效
        waf_cache capacity=50;
        ...
    }
    ...
}

[2] Current 版本

nginx

http {
    # 声明一块共享内存
    waf_zone name=waf size=20m;
    ...
    server {
        ...
        # on/off 表示启用和关闭
        waf on;

        # 规则文件所在目录的绝对路径，必须以/结尾
        waf_rule_path /usr/local/src/ngx_waf/assets/rules/;

        # 防火墙工作模式，STD表示标准模式
        waf_mode STD;

        # CC防御参数
        # 1000表示每分钟请求次数上限，超出上限后封禁对应ip地址60分钟
        waf_cc_deny on rate=1000r/m duration=60m zone=waf:cc;

        # 对除了IP黑白名单检测、CC防护和POST检测以外的所有检测生效
        waf_cache on capacity=50;
        ...
    }
    ...
}

4. 常用设置

列出一些常用的设置，拿来直接就可以使用！

因为模块的配置比较复杂，为了降低使用难度，在这里列出了一些常见用法。

[1] 针对路径或文件限流

有时你可能想要限制不同的路径或文件的请求速率，比如静态资源和动态资源使用不同的速率限制。

nginx

# LTS

# 将静态资源的请求速率限制到10,000次/分钟
location /static/ {
    waf_cc_deny rate=10000r/m duration=1h;
}

# 将动态资源的请求速率限制到2,000次/分钟
location /dynamic/ {
    waf_cc_deny rate=2000r/m duration=1h;
}

nginx

# Current

http {
    waf_zone name=waf size=20m;
    server {
        # 将静态资源的请求速率限制到10,000次/分钟
        location /static/ {
            waf_cc_deny rate=10000r/m duration=1h zone=waf:cc_static;
        }

        # 将动态资源的请求速率限制到2,000次/分钟
        location /dynamic/ {
            waf_cc_deny rate=2000r/m duration=1h zone=waf:cc_dynamic;
        }
    }
}

[2] 开启验证码

当你的站点受到 CC 攻击时开启验证码是不错的选择，因为验证码可以帮助你进行人机识别。本模块目前支持三种验证码，你应该选择一个并从其网站上申请到 Sitekey 和 Secret。配置完成之后，重启 nginx 服务。

nginx

# 整个站点开启验证码
server {
    waf_captcha on prov=hCaptcha secret=your_secret sitekey=your_sitekey;
}

nginx

# 为某个路径开启验证码
location {
    waf_captcha on prov=hCaptcha secret=your_secret sitekey=your_sitekey;
}

nginx

# 当访问频率过高时开启验证码
http {
    waf_zone name=waf size=20m;
    server {
        waf_cc_deny on rate=1000r/m duration=1h zone=waf:cc;
        waf_captcha off prov=hCaptcha secret=your_secret sitekey=your_sitekey;
        waf_action cc_deny=CAPTCHA zone=waf:action;
    }
}

[3] 拦截请求时启用验证码

如今，许多攻击者都会使用自动工具攻击服务器，这些自动工具会尝试每一个漏洞，有的会被安全措施所拦截，有的则可以躲避检测。如果攻击者觉得你的价值比较高，可能会手动攻击你的服务。我们并不能完美地防御这些攻击，但却能很简单地提高攻击的成本。

当一个请求被拦截时，ngx_waf 会对该 IP 启用验证码，此时该 IP 想要继续访问就必须完成验证码。这基本可以废掉多数的自动攻击工具，因为这些工具会尝试每一个漏洞，而我们总能识别一些明显的攻击请求并启用验证码，而自动工具时难以通过验证的。对于手动攻击者，这也能提高他们的时间成本。

nginx

http {
    waf_zone name=waf size=20m;

    server {
        waf_captcha off prov=xxx sitekey=xxx secret=xxx;
        waf_action blacklist=CAPTCHA zone=waf:action;
    }
}

[4] 被攻击时降低带宽占用

当你受到 CC 攻击时，攻击者的 IP 已经被 CC 防护拉黑，但是你的上下行带宽依然很高，这是因为 CC 防护会返回一个 503 状态码，因此占用了你的带宽，你可以使用下面的配置来降低带宽占用。

444 状态码是 nginx 定义的一个非标准的 HTTP 状态码，其作用就是直接关闭连接，不再发送任何数据。如果你使用了 444 状态码，那么在用户看来你的网站就像是不存在一样。这是因为网站出错一般都会有 HTTP 状态码用来提示错误，如果访问一个网站连错误提示都没有，那么大概率是这个网站不存在。

nginx

# LTS
waf_http_status cc_deny=444;

nginx

# Current
waf_action cc_deny=444;

[5] 抵御分布式 CC 攻击

CC 攻击(HTTP 洪水)是指发送大量的 HTTP 请求来耗尽服务器的资源。如果攻击者使用的 IP 较少则防御较为简单，因为只需要限制 IP 的请求频率，但是如果攻击者使用大量的 IP 进行攻击，仅仅限制 IP 的请求频率是无济于事的。这种使用大量 IP 进行 CC 攻击的方式称为分布式 CC 攻击或分布式 HTTP 洪水。

本模块提供了一些缓解方式，第一种开启验证码来缓解，第二种使用降低带宽占用，第三种使用五秒盾来缓解。你可能听说过 Cloudflare 的五秒盾，本模块的五秒盾和 Cloudflare 的完全不同。它的功能是检测客户端是否能够正确地支持 Cookie，比如发送 Cookie 和正确地处理 Set-Cookie 响应头。你可以从本项目的 assets/ 目录下找到 under-attack.html 并将其拷贝到某个路径下，然后通过修改 nginx 的配置文件来开启五秒盾。

nginx

# LTS

# 为整个网站开启五秒盾
server {
    waf_under_attack on file=/path/to/under_attack.html;
}

# 为某个路径开启五秒盾
location /path {
    waf_under_attack on file=/path/to/under_attack.html;
}

nginx

# Current

# 为整个网站开启五秒盾
server {
    waf_under_attack on;
}

# 为某个路径开启五秒盾
location /path {
    waf_under_attack on;
}

5. 效果测试

如需更多帮助，可以参考如何测试！

当我们部署和配置服务完成之后，需要测试下防火墙是否正常起作用了，可以通过如下方式进行简单的测试来判断规则是否正常运行。

nginx

# 测试时的配置
master_process on;
worker_processes  1;

http {
    server {
        listen 80;
        server_name  localhost;

        access_log off;

        waf on;
        waf_mode DYNAMIC !CC !POST;
        waf_rule_path /usr/local/src/ngx_waf/rules/;
        waf_cache capacity=6000 interval=1h percent=50;

        location / {
            default_type text/html;
            return 200 'hello';
        }
    }
}

[1] 简易测试
- 运行下列命令，如果输出 403 则表示模块正常工作

bash

$ curl -I -o /dev/null --user-agent bench \
    -s -w "%{http_code}\\n" https://example.com

[2] 自动测试
- 项目附带了许多测试用例，你可以通过下面的指令来运行全部的用例

bash

# 这行命令的执行时间比较长
$ cpan Test::Nginx

# 如果目录已经存在则会先删除再创建
$ export MODULE_TEST_PATH=/path/to/temp/dir

# 如果你安装了动态模块则需要指定动态模块的绝对路径，反之则无需执行这行命令
$ export MODULE_PATH=/path/to/ngx_http_waf_module.so

# 自动化测试
$ cd ./test/test-nginx
$ sh ./init.sh
$ sh ./start.sh ./t/*.t

bash

# 可以使用WRK工具测试
$ wrk -c 100 -d 30m -t 1 -s test/wrk/rand.lua --latency \
    http://localhost/ -- /path/to/rand-str.txt

6. 注意事项

如需更多帮助，可以参考常见问题与解答！

本模块只保证对 nginx-1.18.0 或更新的版本的兼容性，且不保证与 Linux 以外的操作系统的兼容性。这里需要注意的是，模块与 ngx_http_rewrite_module 存在兼容性问题。

当 return 指令生效时，该模块不会生效
当 rewrite 指令造成了返回(如 302 重定向)时，该模块不会生效
所以可以使用 try_files 代替 rewrite 指令，避免上述问题的出现

nginx

# rewrite
if (!-e $request_filename) {
    rewrite (.*) /index.php
}

# try_files
try_files $uri $uri/ /index.php;

Nginx 防火墙 waf 高性能

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如何使用 N_

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